XCT成像原理

第三章X射线计算机断层扫描成像 X raycomputedtomography X CT 普通X射线影像的缺点 X射线穿透不同密度和厚度组织结构后的总和投影 影像重叠 深度方向上的信息重叠在一起 引起混淆 密度分辨率低 对软组织分辨能力低 剂量大 Computedtomography X CT是运用物理技术 以测定X射线在人体内的衰减系数为基础 采用数学方法 经计算机处理 求解出衰减系数值在人体某剖面上的二维分布矩阵 转变为图像画面上的灰度分布 从而实现重新建立断面图像的现代医学成像技术 X CT像的本质是衰减系数成像 指导思想 如何确定衰减系数值在人体某剖面上的二维分布 3 1X CT成像原理 体层 体素 体层 体素 像素体层 断层 受检体中的一个薄层 像素 pixel 构成图像的基本单元 体素的平均密度决定其灰度值 像素越多 像素就越小 画面越细腻 携带的生物信息量越多 体素 voxel 成像的体层分成按矩阵排列的若干个小基本体元体积 长 宽 高 一般体素的大小 长和宽 1 2mm高 体层厚 3 10mm 体素划分 256 256 65536个体素 512 512 262144 一 投影采集与图象重建 扫描 用X射线束以不同方式 按一定顺序 沿不同方向对体层进行投照 并用高灵敏度的探测器接受出射X射线的强度 1 扫描与投影 投影 投照受检体后出射X线束的强度 投影值的分布为投影函数 2 窄束X射线的获取 准直器 允许X射线通过的细长狭窄通道 3 图象重建 美国物理学家科马克 A MCormack 1963 通过模拟实验 提出用X射线投影数据重建人体断层图像的数学方法 像素 二 CT成像的物理基础 注意 是物体种类和X射线能量的函数 1 均匀物质对X射线的吸收规律 2 X射线束通过非均匀物质 1 2 3 n x I0 In I1 I0e 1x I2 I1e 2x In I0e 1 2 n x i视为均匀 1 CT值 CT测量并计算 获取一定数目体素的 值重建图像用CT值来作为表达组织密度的统一单位 以水的吸收系数 w 1 为标准 各组织对X射线的吸收系数 与水的吸收系数 w的相对比值 称为CT值 3 CT值与灰度显示 K 1000为分度因数CT值的单位是Hu或H 亨 病变 CT值可鉴别病变的性质如肝囊肿0 15H 2 灰度显示 CT值与灰度对应 脑内出血区呈高密度影 CT值约45 90Hu之间 实质性肿瘤CT表现为高密度影 囊性肿瘤为低密度影 三 图像重建的数学方法 1 代数 迭代 重建法 联立方程组 00 450 900 1350 减基数10 化简 基数等于所有体素特征的总和 2 反投影法 3 滤波反投影法 Filteredbackprojection 也称为卷积反投影法 convolutionbackprojection CBP 反投影法得到的图像四周伴有星状伪像 滤波反投影在反投影之前 用滤波函数与反投影信号相加 卷积处理 消灭星状伪影 表示卷积积分 卷积核 卷积核 在CT图像重建过程中用于滤波反投影的专用函数 改善像素噪声和几何分辨率 3 2CT扫描机的结构 扫描架 控制台 显示 高压发生器 电源控制 计算机系统成像系统的核心 扫描床 一 扫描装置 扫描架X线管探测器 1 X线管 功率20 60kW 高压80 140kVp焦点0 5 2 0mm 扫描持续时间30 60s 高压氙气探测器 电离室在高压下充入惰性气体氙优点 结构简单 单个探测器通道的灵敏度相同 缺点 量子效率低 相邻探测器之间存在缝隙 闪烁晶体探测器 NaI 碘化钠 CsI 碘化铯 CaF2 氟化钙 BGO 锗酸铋晶体等 加入微量增光或减少余辉的物质 铊 铕 优点 探测效率高 2 探测器 CT原理框图 二 计算机系统 计算机系统以控制计算机为中心控制和管理核心 它是中央处理系统提供数据采集系统 dateacquisitionsystem DAS 阵列处理计算机等以及机架和高压系统的微处理器间的输入 输出的连接 通过中央处理器 CPU 和存储器 memory 完成执行功能 1 控制和监视扫描过程 将扫描数据 投影值 送入存储器 2 CT值校正 插值处理 3 控制CT扫描等信息的传递 数据管理 4 图像重建的程序控制 5 故障诊断及分析等 3 3CT扫描方式与设备 平移采集160个数据 旋转180 每次扫描共采集28800个数据 计算80 80矩阵的图像 6400个像素 一幅图像约需5min一次检查约需35min 应用范围 脑 1 单束平移 旋转方式 第1代 1970 一 普通CT 2 窄扇形束扫描平移 旋转方式 第2代 1972 扇角 15 20 步幅 5 10 X球管1个 检测器20 30个 一幅图像需时20 60s 应用范围 头部 一幅图像需时约5s 应用范围 全身 心脏除外 30 60 300 1000个 3 广角扇束形旋转 旋转 常用 第3代 1976 一幅图像约需2s 应用范围 全身 特点 扫描时间短 较好消除运动伪影 400 1500个检测器组成静止环形检测器环 4 反扇束形静止 旋转 常用 第4代 1978 第三代与第四代比较 传统CT的缺点 旋转部分为往返旋转运动 限制了扫描速度 控制电路复杂 电缆长期作往返缠绕 易发生折断 故障不易查找 二 螺旋CT 1989 1 扫描方式与供电方式 扫描方式 X线管绕被查人体匀速单向旋转 人体匀速前进 扫描轨迹为螺旋曲线 故称螺旋CT 优点 扫描速度高 减少运动伪影 无采集数据遗漏 容积数据 任意位置 任意方位重建图像 供电方式 滑环 slipring 碳刷在滑环上运动完成机架旋转部分与静止部分馈电和信号传递 无电缆的缠绕 机架单向连续旋转 2 低压滑环 传递电压为数百伏 优点 传递电压低 易处理 高压电缆短 损耗小 缺点 高压电源与X线管组合一起旋转 增加旋转部分重量 高压发生器 X线管 高压电缆 低压电缆 1 高压滑环 传递电压万伏以上优点 高压电源放在扫描机架外部 缺点 易发生高压放电导致高压噪声 影响数据采集系统和图像质量 高压电源 X线管 高压电缆 2 多层面扫描螺旋CT 1998 单层螺旋CT 线束宽度近似于层厚 多层螺旋CT 线束以X射线管为顶点 呈四棱锥形 检测器结构 单排 多排 64 等宽 不等宽 1 动态空间扫描28个X线管 半圆 28个检测器 半圆 电子开关控制轮流发射X射线脉冲束 时间 1s 应用范围 心 肺动态器官 三 超高速扫描 第5代 1987 2 电子束扫描钟形X射线管和静止排列的检测器环时间约10ms应用范围 心 肺等动态器官 CT的优缺点 优点 1 真正断面像 准直系统准直 无层面外组织结构干扰 软件处理重建 获得诊断所需多方位像 2 密度分辨力高 严格准直 灵敏探测器 窗口技术 灰阶可调节 无断层外干扰 3 可做定量分析 测量 值 定量分析 局限性 1 空间分辨力仍低于常规X线检查 2 不是所有脏器都适合CT检查 如空腔性脏器 胃肠道 3 CT定位 定性诊断的准确性仍受各种因素的影响 病变部位 大小 性质 病程长短 4 不能反映脏器的功能 生化信息 基本上只反映解剖学方面的性质 3 4X CT图像的质量评价 用物理学 影像学原理 检测 评价设备性能主要有 分辨率 噪声 均匀性等参数 评价方法 在临床应用条件下对标准测试体模作断层扫描 采集影像数据 用物理学方法做数据分析处理 根据各项指标的测量值相对于标称值的偏差评定是否合格 并进行校正 维修 一 图像的主要质量参数 1 对比度及对比度分辨力 对比度 不同物质的密度差异 X射线透射差异 像素灰度间的黑白程度的对比 对比度分辨力 密度分辨力 将一定大小的细节从背景中鉴别出来的能力 检测方法 低密度体模 单位mm 影响因素 噪声 像颗粒度 对比度分辨力 被照物细节 对比度分辨力 X射线剂量 信噪比 对比度分辨力 窗宽 窗位的选择 2 低对比度分辨力和高对比度分辨力 低对比度分辨力 细节与背景之间具有低对比度时 能使细节从背景中鉴别出来的能力 条件 物体 细节 与均质环境的吸收系数差别的相对值 1 或 CT 10Hu X CT 0 5 1 普通X线片 5 低对比度分辨力CT优于X片低对比度分辨力高是X CT的优势 原因 CT与普通x线摄影比较 无重叠干扰 高度准直 散射线少 探测器比胶片灵敏 影响因素 探测器孔径 射线采样宽度 空间分辨力 间距 采样间隔 空间分辨力 图像重建算法 滤波函数的选择 高对比度分辨力 在高对比度条件下 将一定大小的细节从背景中鉴别出来的能力 条件 物体 细节 与均质环境的吸收系数差别的相对值 10 或 CT 100Hu 3 空间分辨力 在高对比度条件下 鉴别两个距离很近的微小组织或病灶的能力 体素 矩阵越大 空间分辨力 空间分辨力取决于检测器有效受照宽度 与线束宽度相对应 检测器有效受照高度 与线束高度相对应 空间分辨力的检测 高密度测试体模线对数LP Cm 分辨最小圆孔的直径 mm 普通X光片 0 1 0 2mm 胶片颗粒尺寸 X CT 1 2mm核素成像 5 10mm 对骨骼和胸腔等高对比度器官的检查 X CT尚不能代替普通X光摄影 图像中可观察到的光密度的随机变化 X光机噪声主要由三个来源 量子统计噪声 92 X光量子统计涨落在照片上记录的反映 散射噪声 主要是康普顿散射线 系统电子学的热噪声 图像表现 斑点 细粒 网纹 雪花点 信噪比 signaltonoiseratio SNR 评价指标 图像信号幅度 噪声幅度 噪声对低对比度的结构影响较明显 4 图像噪声与X射线剂量 量子 噪声表示给定区域的各CT值对其平均值的变化量 由探测器检测到的X线数量的波动引起 是一种随机的干扰信号 高剂量扫描 极低剂量扫描 w 像素大小 h 断层厚度 D0 最大皮肤剂量 只要诊断许可 尽量采用大剂量条件 C 描述剂量效率的常数 B 射线衰减 性能 因数 噪声标准差 在扫描野中 均质体各局部在CT图像上显示出CT值得一致性 匀质体各局部区域平均CT值偏离程度 均匀性 影响因素 图像噪声 X射线束硬化 5 均匀性 测量中央和边缘取五个面积相等的ROI的CT值 计算两两之间CT值的最大偏离 CTm 本例 CTm 3 7HU国际评价标准 CTm 5HU 1 0 2 1 0 5 1 3 3 2 6 空间分辨力 对比度分辨力 噪声 均匀度和X射线剂量之间的关系 X射线剂量一定 体素 空间分辨力 光子数 信噪比 均匀性 对比度分辨力 w 像素大小 空间分辨率 h 断层厚度 空间分辨率 大层厚图像较细腻 小层厚图像分辨率较高 二者相互制约 D0 最大皮肤剂量 只要诊断许可 尽量采用大剂量条件 C 描述剂量效率的常数 B 射线衰减 性能 因数 噪声标准差 伪影 扫描中不存在而出现在重建图像中的干扰图样 产生伪影的原因1 成像系统的测量误差 电器故障 二 X CT图像的伪像 人体超出测量范围 定期做系统维护 部分容积效应 抑制方法 减小切层厚度 采用薄层扫描